OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE SECAGEM DOS FRUTOS

DO AÇAÍ (Euterpe oleracea Mart.) EM SECADOR DE LEITO

FIXO.

A. G. P. SILVA1, L. J. G. FARIA

1, C. M. L. COSTA

1

1Universidade Federal do Pará, Faculdade de Engenharia Química

E-mail para contato: adriano.silva@itec.ufpa.br

RESUMO: Antocianinas são corantes naturais que conferem cor a folhas, flores e

frutas, apresentam potencial para uso como corante, além de atividade

antioxidante e terapêutica. Essas características estimulam buscar formas de

utilização desses corantes na indústria de diversos segmentos, além de fomentar

pesquisas acerca de sua estabilidade. Nesse trabalho, realizou-se o estudo da

secagem dos frutos de açaí (Euterpe oleracea Mart.) em secador de leito fixo,

avaliando estatisticamente as influências das variáveis de entrada temperatura (T),

tempo de secagem (t) e vazão do ar de secagem (Q) nas respostas: razão de

umidade e degradação das antocianinas presente no fruto do açaí. Foram obtidas

as curvas de cinética de secagem nas temperaturas de 50, 60 e 70 °C e nas vazões

de 0,120, 0,323 e 0,340 m3/s. Dentre os modelos de cinética de secagem avaliados

o modelo de Midilli et al. foi o que melhor descreveu os dados experimentais. A

condição ótima de secagem foi avaliada utilizando o conceito de desejabilidade

global. Dentre as condições estabelecidas neste trabalho, o valor ótimo da Função

Desejabilidade é quando T é deslocada para ao nível mais alto (70 °C), t para o

mínimo (120min) e Q para o nível máximo (340 m3/s).

1. INTRODUÇÃO

Antocianinas são compostos com diversas aplicações industriais como corantes e

podem ser obtidas a partir de fontes naturais acessíveis.Corantes são substancias que

conferem, intensificam ou restauram a cor de um alimento e são classificados como aditivos

alimentares. A utilização de corantes naturais que podem substituir corantes artificiais é

relevante tendo em vista que os artificiais são potencialmente tóxicos e podem causar reações

adversas nos consumidores.

O açaí, fruto tipicamente tropical, surge como uma promissora opção, uma vez que é

encontrado em abundância no Norte do Brasil e apresenta alto teor de antocianinas. Além

destes fatores, o açaí, possui um grande apelo mercadológico, sendo considerado um fruto

muito nutritivo (ROGEZ, 2000). Para melhor aproveitar o potencial dos corantes naturais são

imprescindíveis estudos na busca de soluções para questões como novas fontes e estabilidade.

Assim, a obtenção de um produto final de fácil manuseio, armazenagem e principalmente de

maior estabilidade, assume grande importância.

Área temática: Fenômenos de Transporte e Sistemas Particulados 1

A secagem é uma das principais operações de pré-processamento das fontes naturais,

influenciando nas propriedades químicas e físicas dos compostos extraídos dessas fontes.

Devido a complexidade de se trabalhar com produtos naturais, o processo de secagem e os

requisitos necessários à armazenagem, devem ser realizados mediante métodos estatísticos

apropriados, com os quais é possível analisar os efeitos das variáveis estudadas.

Este trabalho tem como principal objetivo otimizar a secagem dos frutos de açaí

(Euterpe oleracea Mart.), com base na técnica de planejamento fatorial Box-Behnken,

utilizando um secador de leito fixo. Os efeitos das variáveis de controle (temperatura, tempo e

vazão do ar de secagem), na qualidade dos frutos foram avaliados através das variáveis de

resposta: umidade final e degradação de antocianinas.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Os frutos do açaí foram adquiridos na Feira do Açaí em Belém-Pará nos meses de

outubro e dezembro de 2013 e levados ao laboratório, os quais foram imediatamente

congelados em freezer até a realização dos experimentos.

2.1. Sistema Experimental

A secagem foi realizada em um secador de leito fixo o qual consiste de um duto de

25,4 cm de seção quadrada, contendo um soprador centrífugo com controle de velocidade.

Compõe ainda o secador dois pares de resistência elétricas de 2 kW e 1kW cada, propiciando

o aquecimento do ar . Adaptado a esta unidade, encontra-se o corpo do secador constituído de

vidro pirex, contendo dispositivos para medidas de temperatura do ar. O equipamento dispõe

ainda de um cesto cilíndrico telado, em aço inoxidável, no interior do qual são depositadas os

frutos de açaí, ficando sujeitos ao contato do ar de secagem a partir de sua base e pelas laterais

do dispositivo. Este cesto possui diâmetro interno 12,5 cm e altura 25,5 cm. No decorrer do

experimento, fica suspenso no interior do corpo cilíndrico de vidro, adaptado a uma balança

eletrônica, que indica continuamente o decréscimo da massa do material.

2.2. Ensaios de Cinética de Secagem

Os ensaios de secagem foram conduzidos nas temperaturas de 50, 60 e 70 oC, nas

vazões de 0,120, 0,323 e 0,340 m3/s, mantendo constante a massa frutos de açaí previamente

descongelados em 1500 g. O cálculo da razão de umidade (Xr) do produto, durante as

diferentes condições experimentais, foi estimado pela Equação 1, sendo: Xr a razão de

umidade, adimensional; Xt é o teor de umidade no tempo t, decimal b.s e Xo denota teor de

umidade inicial do produto, decimal b.s.

(1)

As massas de sólido seco, após os processos de secagem, necessárias ao cálculo dos

teores de umidade em base seca, foram determinadas diretamente em estufa com circulação

de ar forçada, a 105 1oC por 24 horas, conforme metodologia padronizada.

Área temática: Fenômenos de Transporte e Sistemas Particulados 2

Os teores de umidade adimensionais em função do tempo de secagem foram avaliados

por seis modelos matemáticos conforme sumarizados na Tabela 1 e descritas nos trabalhos de

Radünz et al. (2010) e Meziane (2011). A escolha do modelo mais adequado foi realizada

com base nas estatísticas: coeficiente de determinação (R2), o erro médio relativo (EMR),

dado pela equação 2, e pela análise dos gráficos da distribuição dos resíduos (aleatório ou

tendencioso).

(2)

Tabela 1 - Modelos matemáticos utilizados nos ajustes da cinética de secagem

Modelo Equação

Dois Termos Henderson e Pabis modificado

Midilliet al. Page

Page modificado

Verma

2.3. Planejamento Estatístico

Foram realizadas 15 corridas experimentais, sendo três no ponto central conforme o

planejamento de Box-Behnken. As variáveis de entrada foram: Temperatura (T), tempo (t) e

vazão do ar (Q); codificadas como X1, X2 e X3, respectivamente. As variáveis de resposta

analisadas foram: Razão de umidade (Xr); adimensional e degradação das antocianinas (D);

porcentagem. Na Tabela 2 são apresentados os valores das variáveis de entrada do processo.

Tabela 2 - Variáveis de entrada e seus respectivos níveis

Variáveis Notação Níveis

-1 0 1

T (°C) X1 50 60 70

t (min) X2 120 240 360

Q (m3/s) X3 0,120 00,3233 0,340

2.4. Extração das antocianinas

Após a secagem, de 30 g dos frutos foram utilizados para avaliar a percentagem de

degradação das antocianinas. A análise quantitativa das antocianinas extraídas dos frutos do

açaí foi realizada de acordo com o método de Fuleki e Francis (1968) posteriormente revisada

por Lees e Francis (1972).O tempo e a forma de extração foram conduzidos conforme a

metodologia de Constant,(2003). Utilizando pH único, onde após 24 h, as amostras foram

filtradas, uma alíquota de 1 ml de cada extrato foi diluída em 10 ml de etanol 95% com HCl

1,5 N (85:15), deixada em repouso em ausência de luz por 2 h e levada à leitura

espectrofotométrica da absorbância em 535 nm. As análises de absorbância foram feitas em

Área temática: Fenômenos de Transporte e Sistemas Particulados 3

espectrofotômetro UV-Visível, realizadasem duplicata e para o cálculo da concentração

utilizou-se a Equação 3, em termos de cianidina:

(3)

Em que: Absλmáx é a absorbância no comprimento de onda máximo (535nm); Fd é o fator de

diluição e E1%

1cm (absortividade molar a 535nm) = 98,29 (antocianinas de Cranberries).

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Cinética de Secagem

Na Tabela 3 são apresentados os valores dos parâmetros estatísticos(coeficiente de

determinação - R2, erro médio relativo - EMR, e análise dos gráficos de resíduos - R)

utilizados para avaliar os modelos matemáticos que descrevem a cinética de secagem dos

frutos de açaí em leito fixo.

Tabela 3 -Avaliação da qualidade dos modelos matemáticosutilizados na cinética de secagem

Modelo T (°C) Q = 0,340 m

3/s Q = 0,323 m

3/s Q = 0,120 m

3/s

R2(%) EMR(%) R R

2(%) EMR(%) R R

2(%) EMR(%) R

Dois Termos

50 99,89 0,096 A 98,1 0,293 T 99,58 0,131 A

60 99,37 0,408 A 98,71 0,327 T 96,72 0,512 A

70 98,72 0,669 T 99,6 0,348 T 97,83 0,561 A

Henderson e Pabis

modificado

50 97,55 0,438 T 98,12 0,302 T 99,58 0,131 A

60 99,08 0,464 A 98,72 0,326 T 96,76 0,512 A

70 98,72 0,669 A 99,63 0,325 T 97,83 0,561 A

Midilliet al.

50 99,95 0,068 A 99,8 0,147 A 99,65 0,113 A

60 99,57 0,348 A 99,8 0,163 A 99,15 0,262 A

70 99,09 0,617 A 99,83 0,3 A 99,68 0,2 A

Page

50 98,25 0,408 T 98,62 0,325 T 99,49 0,147 A

60 99,19 0,368 A 99,01 0,331 A 97,9 0,124 A

70 98,21 0,763 A 99,42 0,431 T 95,87 0,744 A

Page modificado

50 58,02 2,193 T 85,28 1,277 T 99,33 0,175 T

60 84,63 2,241 T 89,57 1,355 T 83,44 1,162 T

70 96,44 1,121 T 98,97 0,596 T 93,98 0,991 A

Verma

50 99,89 0,096 A 99,83 0,136 A 99,63 0,118 A

60 99,37 0,407 A 89,57 1,355 T 99,13 0,272 A

70 99,24 0,611 A 99,79 0,272 A 99,75 0,168 A

A partir da análise da Tabela 2 observa-se que o modelo matemático de Midilli et

al.(2002) foi o que melhor descreveu os dados da cinética de secagem para os três níveis de

vazão do ar de secagem e na faixa de temperatura estudada, pois os coeficientes de

determinação estão acima de 99 %, os valores para o erro médio relativo foram menores que 1

% e a distribuição de resíduos foi totalmente aleatória.

Área temática: Fenômenos de Transporte e Sistemas Particulados 4

Com base no estudo da cinética de secagem dos frutos de açaí em leito fixo constatou-se

que o equilíbrio termodinâmico entre o material e o ar atmosférico não foi alcançado dentro

das condições experimentais avaliadas, porém a umidade diminui continuamente com o

tempo de secagem e com o aumento da temperatura do ar, concordando assim com os

fundamentos da teoria de secagem (Strumillo e Kudra, 1986).

Outro fator observado foi o efeito significativo da temperatura sobre as curvas de

secagem, ou seja, com o aumento da temperatura ocorre maior taxa de remoção de água do

material, fato encontrado por diversos pesquisadores para a secagem de biomateriais (Radünz

et al., 2010; Kadam et al., 2011).

3.1 Análise Estatística

A Tabela 4 corresponde a matriz de experimentos com as variáveis de entrada

originais e os resultados médios das variáveis de resposta. As corridas foram realizadas de

forma randomizada para minimizar os erros experimentais.

Tabela 3 - Matriz de experimentos Box-Behnken e os resultados das variáveis de resposta.

Corrida

Variáveis Codificadas Variáveis Originais

(unidade)

Variáveis de Resposta

(unidade)

X1 X2 X3 T

(oC)

t

(min)

Q

(m3/s)

XR

(adim.)

D

(%)

1 -1 -1 0 50 120 0,323 0,86 42,29

2 1 -1 0 70 120 0,323 0,73 35,02

3 -1 1 0 50 360 0,323 0,70 70,35

4 1 1 0 70 360 0,323 0,53 46,71

5 -1 0 -1 50 240 0,120 0,83 59,19

6 1 0 -1 70 240 0,120 0,74 52,69

7 -1 0 1 50 240 0,340 0,54 76,47

8 1 0 1 70 240 0,340 0,56 71,9

9 0 -1 -1 60 120 0,120 0,87 20,96

10 0 1 -1 60 360 0,120 0,64 78,66

11 0 -1 1 60 120 0,340 0,78 42,41

12 0 1 1 60 360 0,340 0,56 80,69

13 0 0 0 60 240 0,323 0,73 73,93

14 0 0 0 60 240 0,323 0,72 60,84

15 0 0 0 60 240 0,323 0,70 67,56

Contrário ao que se imaginava, a análise da Tabela 3 demonstrou que as maiores

degradações de antocianinas ocorreram nas corridas realizadas com as menores temperaturas,

quando apenas a temperatura de secagem foi o parâmetro diferencial. Este fato pode ser

verificado na corrida 2 (70 °C) a qual gerou menor degradação de antocianinas que a corrida 1

(50 °C). Este fato também pode ser verificado quando se comparou as corridas 3-4, 5-6 e 7-8.

Segundo Gonnet (1998) as antocianinas são estáveis e se encontram na forma colorida

como cátion flavilium apenas em soluções bastante ácidas. Lewis et al. (1995) afirma que a

proteção do cátion flavilium contra a hidratação é absolutamente necessária para manter a

coloração das soluções, ou seja, uma maneira de reter esta coloração seria pela remoção da

Área temática: Fenômenos de Transporte e Sistemas Particulados 5

água do meio o que promoveria o deslocamento do equilíbrio hidratação/desidratação para

direção da forma colorida AH+. Logo, essa seria uma possível explicação para o fato de ter se

encontrado valores mais baixos de degradação de antocianinas nas secagens realizadas com as

maiores temperaturas,poisessa condição experimental (temperatura mais alta) favorece a

remoção umidade dos frutos de açaí, proporcionado assim a forma colorida AH+, coloração

esta que é indicadora da estabilidade das antocianinas.

Visando analisar os efeitos das variáveis de controle nas respostas realizou-se a análise

da ANOVA para as respostas Xr e D (Tabela 5) onde foram considerados os níveis de

significância p=0,01 (confiança de 99 %), p=0,05 (confiança de 95 %), e p=0,10 (confiança

de 90 %). A análise da ANOVA demonstra que apenas as variáveis de controle isoladas X1,

X2 e X3 influenciam na variável de resposta Xr nos limites de rejeição estabelecidos, por

apresentar uma probabilidade pequena de estar dentro da região de hipótese nula (estatística

P) e por apresentar valores de Fcalculado maior que o do Ftabelado (F0,01; 1; 5 = 16,26 para 99 % de

confiança;F0,05; 1; 5 = 6,61 para 95 % de confiança e F0,1;1;5 = 4,06 para 90 % de confiança) .

Tabela 5 - Análise de variância ANOVA para as variáveis de resposta Xr e D

Efeitos

Soma dos

Quadrados

Graus de

liberdade

Quadrado

Médio Teste F Probabilidade (P)

Xr D Xr D Xr D Xr D Xr D

X1 0,0183 220,28 1 1 0,018 220,28 4,78 1,99 0,0804*** 0,2167

X2 0,0846 2303,05 1 1 0,084 2303,05 22,15 20,89 0,0053* 0,0060*

X3 0,0504 449,48 1 1 0,050 449,48 13,20 4,08 0,0150** 0,0995***

X12 0,0035 82,71 1 1 0,003 82,71 0,91 0,75 0,3836 0,4261

X22 0,0010 735,80 1 1 0,0010 735,80 0,25 6,67 0,6344 0,0492**

X32 0,0017 20,47 1 1 0,0017 20,47 0,45 0,18 0,5336 0,6845

X1 X2 0,0003 67 1 1 0,0003 67,00 0,07 0,61 0,7971 0,4709

X1 X3 0,0033 0,926 1 1 0,0033 0,93 0,85 0,01 0,3977 0,9305

X2 X3 0,000012 94,369 1 1 1,2E-05 94,37 0,003 0,85 0,9567 0,3974

Erro 0,0191 551,31 5 5 0,0038 110,26 - - - -

Total 0,1822 4522,78 14 14 - - - - - -

*Significativo a 1% **Significativo a 5% ***Significativo a 10%

Já para a variável D, verifica-se que o valor de P para as variáveis X2, X3e X22se

encontra fora dos limites de probabilidade estabelecidos para a hipótese nula e a análise do

teste F confirma que essas variáveis são significativas para resposta avaliada (D), pois os

valores de Fcalculado são maiores que os valores de Ftabelado (F0,01; 1; 5 = 16,26 para 99 % de

confiança;F0,05; 1; 5 = 6,61 para 95 % de confiança e F0,1; 1; 5 = 4,06 para 90 % de confiança).

3.2. Otimização das Variáveis Independentes

Para a otimização estatística do processo de secagem são atribuídos o valor 1 (valor

desejado) para os limites inferiores e 0 (valor indesejado) para os limites medianos e

superiores nas resposta Xr e D. Para os valores dos expoentes s e t, que servem como ajuste

para se encontrar o valor médio desejado da função foi atribuído o valor 20 para ambas as

respostas.

Área temática: Fenômenos de Transporte e Sistemas Particulados 6

A análise do digrama da Função Desejabilidade (Figura 1) apresenta, dentro do

domínio experimental, um valor otimizado em 0,8454, que de acordo com a classificação de

Akhanazarova e Kafarov (1982), considera-se essa resposta como aceitável e excelente.

Figura 1 - Perfis para os valores preditos e a função desejabilidade

As condições estabelecidas como ótimas para as variáveis de resposta Xr e D

correspondem a 0,683 e 48,01, respectivamente. Estes valores são alcançados para a

combinação dos níveis máximo (+1), mínimo (-1) e máximo (+1) das variáveis

independentes: temperatura do ar de secagem, tempo de secagem e vazão do ar de secagem,

respectivamente. Dessa forma, o valor ótimo da função desejabilidade ocorre quando T é

deslocada para o nível mais alto (70 °C), t para o nível mínimo 120 (min) e Q para o nível

máximo (340 m3/s).

A condição ótima estabelecida para a variável Xr corresponde a uma razão final de

umidade no valor de 0,683 (Xf = 49 % bs), o que ainda é considerado um valor muito acima

daquele recomendado (em torno de 10 %) para a conservação de produtos naturais caso

necessitem ser conservados nas condições ambientais de estocagem. Valores de umidade

acima do recomendado elevam consideravelmente a possiblidade de deterioração dos

produtos naturais por microrganismos, alterando assim suas características químicas e físicas.

Quanto ao valor da condição ótima estabelecida para a variável D, verifica-se que este

representa 48,01 % da quantidade inicial de antocianinas, ou seja, ajustando-se as condições

operacionais ótimas da secagem em leito fixo o teor de antocianinas diminui quase que pela

metade do valor inicial de antocianina após da secagem.

Portanto verifica-se que dentro das condições experimentais adotadas neste estudo, o

secador de leito fixo não foi capaz de reduzir, para níveis adequados, o teor de umidade e

ainda reduziu para cerca de 50 % o teor inicial de antocianinas presentes nos frutos do açaí.

Área temática: Fenômenos de Transporte e Sistemas Particulados 7

4. CONCLUSÕES

- Foi possível descrever o comportamento da cinética de secagem dos frutos de açaí a partir

do modelo matemático de Midilli et al.(2002) para as condições experimentais estudada.

- As variáveis de controle isoladas T (°C), t (min) e Q (m3/s) influenciaram significativamente

a variável de resposta razão de umidade (Xr) nos limites de rejeição estabelecidos.

- As variáveis t (min)em suas formas linear e quadrática e Q (m3/s) influenciaram

significativamente a variável de resposta degradação de antocianinas (D).

- Dentro das condições experimentais adotadas neste estudo, o secador de leito fixo não foi

capaz de reduzir, para níveis adequados, a razão de umidade ótima já que esta foi de 0,683

(aproximadamente 48 %b.s) e ainda reduziu para cerca de 50 % o teor inicial de

antocioninas presentes nos frutos do açaí.

5. REFERÊNCIAS

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